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環保木材用膠黏劑研究及應用

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2013-07-22 14:10:00

  隨著消費者環境意識日益增強,甲醛係膠黏劑特別是黏接室內用的脲醛樹脂的生產受到越來越嚴格的限製。在木材複合材料生產中,使用最多的膠黏劑是以甲醛為基料的脲醛樹脂、酚醛樹脂和三聚氰氨樹脂膠黏劑,以上3種膠的原料均來自不可再生的化石資源,在礦物資源日益減少和整個社會環保意識增強的今天,開展利用我國豐富的可再生資源製備膠黏劑意義重大。同時,含有甲醛的木材膠黏劑不僅對環境造成很大的影響,同時對人們的身體健康也有負麵的影響,開發綠色環保的膠黏劑勢在必行。

  本文將對木質素膠黏劑、澱粉基木材膠黏劑、環保型脲醛膠等幾種綠色環保木材用膠黏劑的研究及發展狀況進行介紹。

  l·木質素膠黏劑

  自然界中木質素是僅次於纖維素的第二大可再生資源,據估測全球每年可產生約6萬噸,人們很早就開始將木質素這種可再生生物質資源應用到工業、農業等各種領域中。木質素本身反應活性低,工業化利用一直受到限製,所以木質素的活化成為現階段的研究重點。木質素難以利用是其結構與性能決定的,它是聚酚類三維網狀高分子化合物,結構主體之問的連接方式主要是醚鍵及碳碳鍵,這2種鍵分子極性小、鍵能高,難以反應,而且甲氧基含量高,羥基含量低,苯環上位阻大,從木質素膠黏劑合成中就可以看出,木質素與苯酚、甲醛和酚醛樹脂反應其活性明顯不足。由此可知,提高羥基含量同時降低甲氧基含量,增強木質素反應活性是木質素反應的基礎。這裏主要闡述以合成木材膠黏劑為目的的各種木質素活化方法。

  木質素在膠黏劑中的應用有2種方式:(1)木質素本身作為膠黏劑,存在很多弊端:如熱壓時間長、熱壓溫度和酸度高、產品為黑色並且物理和力學性能很低及耐水性低等;

  (2)木質素與其他原料混合對樹脂進行改性從而製得膠黏劑,現在國內外對於木質素膠黏劑的研究大都集中在木質素一酚醛(LPF)樹脂膠黏劑,木質素一脲醛(LuF)樹脂膠黏劑,木質素一三聚氰氨甲醛(LMF)樹脂膠黏劑,木質素一聚氨酯(LPU)膠黏劑以及木質素在環保木材膠黏劑中的應用。

  開發木質素膠黏劑,首先要解決其活性問題,即將木質素由大分子量的高聚物分解成一係列含有羥基、芳香環結構的小分子量混合物,以提高其羥基,尤其是活性高的醇羥基和酚羥基的含量,進而增加木質素的反應活性;其次,在活化木質素的同時,進一步探討其反應機理;最後,加大開發利用木質素及其多種類型的衍生物與澱粉、蛋白質等可再生生物質資源,製備環保性膠粘劑的力度。

  由於我國在木質素研究與應用方麵起步較晚,加工木質素膠黏劑的方法和設備尚不先進,而且製備木材膠黏劑的原料多數是不可再生資源,伴隨著再生物質資源代替化石資源的發展趨勢,木質素尤其是褐腐木質素本身,在未經過任何活化處理前就具有較高含量的酚羥基及脂肪族羥基,反應活性較其他工業木質素大,所以褐腐木質素無疑對今後合成經濟環保、性能優良的木材膠黏劑提供了一種可行性高、優勢明顯的選擇[1-2]。

  2·澱粉基木材膠黏劑

  利用廉價的澱粉開發高性能的木材膠黏劑是人類永久的夢。但是傳統的澱粉膠黏劑不能用於木材的黏結。早期的澱粉基木材膠黏劑研究是將澱粉在強烈的反應條件下轉化為低分子物質,來充當酚醛膠的填料。而目前的發展趨勢是既要考慮充分利用澱粉的大分子特性,避免過度降解,又要能夠向澱粉鏈中引入足夠的均勻分布的化學鍵,使其與氫鍵的弱化學作用力有效配合,達到木材膠黏劑耐水的要求。

  澱粉類是以大規模、高效率生產與提純的廉價天然高分子聚合物,澱粉本身具有作為膠黏劑的潛力。人類從古至今圍繞澱粉類膠黏劑開發的努力一直沒有停止。我國秦朝就以糯米漿與石灰製成的漿黏結長城的基石。但由於受到科學水平的限製,一直到20世紀中葉,天然高分子膠黏劑被合成高分子聚合物取代前,傳統澱粉基膠黏劑的製作水平都無突破性的進展。

  傳統澱粉基膠黏劑因為耐水性能差、膠接強度低而被局限於紡織業、造紙業、包裝紙箱、瓦楞紙板等工業生產上使用,用於木材加工工業的則極為少見。隨著對澱粉理化特性認識越來越清楚,澱粉作為膠黏劑的很多弱點通過改性得到了有效的改善。利用這一廉價、可再生的天然高分子材料開發價格、性能、環保諸方麵可以完全替代“三醛膠”的新型木材膠黏劑已指日可待。

  傳統意義上澱粉基膠黏劑包括各類糊精膠、低氧化度變性澱粉膠、澱粉磷酸酯膠等,其製造方法多種多樣,性能差異也十分懸殊。但可用於木材黏結的傳統澱粉基膠黏劑則少之又少。主要原因是向澱粉引入的活性基團效率很低,故傳統澱粉基膠黏劑黏結力主要來源於澱粉鏈上為數眾多的羥基之間產生的氫鍵接合力,以及依賴硼砂對羥甲基的絡合作用。欲提高澱粉基膠黏劑的耐水膠接性能,應在澱粉分子鏈之間均勻導人適量接合牢固的化學鍵,如氨酯鍵、醚鍵、縮醛鍵和酯鍵等。通過這些化學鍵在分子鏈間的結合力,阻止因水分子進一步楔入導致澱粉鏈間距離被撐大而使大量氫鍵結合力被破壞。實現在膠層結構中以少量的化學鍵為核心,在其周圍輔以大量的氫鍵,共同構成改性澱粉膠黏劑耐水膠層的結構[3]。

  除上述2種天然可再生資源膠黏劑以外,目前可用於木材膠黏劑的天然可再生物質還包括單寧、蛋白質、殼聚糖等物質。天然可再生資源類膠黏劑具有來源廣泛、可再生的優點,但其黏接強度、耐水性、耐熱性等均不高,使用期限較短。

  3·環保型脲醛膠

  脲醛樹脂膠由於價格低廉,膠合強度好,具有一定耐水性等優點,被廣泛應用於木材加工行業,尤其是室內裝飾裝修材料人造板的加工,用量最大。但是,在使用脲醛樹脂製板過程中,以及人造板裝飾裝修使用中,會釋放出大量的遊離甲醛,刺激人的眼睛及呼吸係統,危害人體健康,我國政府於2001年12月製定強製性標準GB18580—2001(室內裝飾裝修材料人造板及其製品中甲醛釋放限量),GB18583—2001(室內裝飾裝修材料膠黏劑中有害物質限量)等10項國家標準,要求國內脲醛樹脂膠黏劑生產廠家必須生產E2和E1級環保產品。目前采用國內技術已能生產E2環保產品,但生產E1級產品隻能靠引進技術,這就需要國內脲醛樹脂膠黏劑生產廠家和科研部門積極攻關,以解決目前存在的技術難題。

  國內生產的脲醛樹脂基本上是液態膠,濃度一般為50,儲存周期為7~20d,且運輸費用較高,因此,我國大約80的脲醛樹脂膠黏劑由木材加工企業自產自用,生產規模小,環境汙染嚴重,成本高。國際脲醛樹脂膠黏劑生產企業一方麵生產液體膠供應本地木材廠,另一方麵大規模生產E1粉膠,降低成本進行國際化銷售。國內生產廠家難以和國外企業進行競爭,因此迫切需要研製出E1級脲醛樹脂膠黏劑和生產出粉末脲醛樹脂膠。目前國內有公司開發了環保脲醛體膠NST一002(以下簡稱NST一002)、環保脲醛液膠NST~201(以下簡稱NST一201),用於二級低毒保膠合板的製備,和國外同類產品比較,膠黏劑各項技術指標均達到或超過GB/T14732—93[4]。

  4·生物技術膠黏劑

  利用漆酶的催化作用,使木材中木質素上的酚羥基氧化成酚氧自由基,所生成的自由基發生耦合,產生高分子質量、無定型的脫氫聚合物。利用這一反應,可以提高木材自身的膠合力,不加任何合成膠黏劑,即可製造纖維板和刨花板。該方法的另一個應用是用漆酶處理木質素磺酸鹽,用於纖維板、木材、紙張的黏接。

  生物酵母蛋白作為木材工業膠黏劑的原料也是方向之一,用生物工程製得的產物作為膠黏劑原料,可完全擺脫化工原料的緊張局麵,製造時具有自己增育、自己發酵、自己合成、自己使用等特點。

  5·結語

  綜合國內外木材用膠黏劑生產工藝、使用特點與環保要求,木材用膠黏劑有如下發展趨勢:

  1)隨著環保法規的日趨完善,環境友好型綠色膠黏劑逐漸成為發展的主流,同時發展天然再生資源類膠和生物技術膠;

  2)研製具有多重官能團、多種功能基的膠黏劑,克服單一品種的性能缺陷;

  3)合成工藝複雜、設備要求苛刻的膠種不易推廣應用,而原料來源廣泛、容易製備、使用方便的高性能“綠色”環保膠黏劑將成未來木材膠黏劑發展的大趨勢。